KR102577166B1 - 광 검출 장치 및 거리 측정 장치 - Google Patents

광 검출 장치 및 거리 측정 장치 Download PDF

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아키히코 미야노하라
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Abstract

광을 검출하는 장치에 있어서 초과 바이어스를 적절한 값으로 제어한다. 　고체 촬상 소자는, 포토다이오드, 저항 및 제어 회로를 구비한다. 이 고체 촬상 소자에 있어서, 포토다이오드는, 입사광을 광전 변환하여 광전류를 출력한다. 또한, 고체 촬상 소자에 있어서, 저항은, 포토다이오드의 캐소드에 접속된다. 또한, 고체 촬상 소자에 있어서, 제어 회로는, 저항에 광전류가 흘렀을 때의 캐소드 전위가 높을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급한다.

Description

광 검출 장치 및 거리 측정 장치
본 기술은, 고체 촬상 소자 및 전자장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 포토다이오드에 의해 광을 검출하는 고체 촬상 소자 및 전자장치에 관한 것이다.
종래부터, 측거 기능을 갖는 전자장치에 있어서, ToF(Time of Flight) 방식이라고 불리는 측거 방식이 알려져 있다. 이 ToF 방식은, 조사광을 전자장치로부터 물체에 조사하고, 그 조사광이 반사되어 전자장치로 되돌아올 때까지의 왕복 시간을 구하여 거리를 측정하는 방식이다. 예를 들면, SPAD(Single-Photon Avalanche Diode)에 의해 반사광을 검출하는 ToF 방식의 카메라가 제안되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조). 이 SPAD는, 광전류를 증폭함으로써 감도를 향상시킨 포토다이오드이다.
여기서, SPAD는, 역방향 바이어스를 어느 전압 이상으로 인가하는 가이거 모드(Geiger mode)로 사용된다. 이 가이거 모드에서는, 애노드 측에 전원, 캐소드 측에 저항 또는 정전류를 건 상태로 일정 전위가 걸리도록 풀업시켜 두는 제어가 수행된다. 그리고, 광이 검출되면, 임팩트 이온화에 의해 브레이크다운 전압까지 애노드·캐소드 간 전압이 저하되고, SPAD는, 고임피던스에서 저임피던스의 상태로 이행한다. 고체 촬상 소자는, 그 때의 캐소드 전위의 변화를 검출함으로써 ToF 데이터를 작성할 수 있다. 애노드·캐소드 간 전압이 브레이크다운 전압까지 저하되면, SPAD는 다시 고임피던스가 되고, SPAD가 고임피던스로 됨으로써 풀업에 의해 다시 가이거 모드로 이행한다. 이러한 고체 촬상 소자에 있어서, 화소 특성은 초과 바이어스(excess bias)에 의해 결정된다. 여기서, 초과 바이어스는, 가이거 모드 시의 애노드·캐소드 간 전압에서 브레이크다운 전압을 뺀 값이다.
비특허문헌 1: Larry Li,"Time-of-Flight Camera - An Introduction", 텍사스 인스트루먼트, Technical White Paper SLOA190B January 2014 Revised May 2014
상술한 종래 기술에서는, 고감도의 애벌런치 포토다이오드를 이용하기 때문에, 미약한 반사광이더라도 검출할 수 있다. 그러나, 브레이크다운 전압의 편차나 온도에 의해, 초과 바이어스가 변동되는 경우가 있다. 그 결과, 초과 바이어스가 너무 작아져 포토다이오드의 감도가 저하되는 우려나, 반대로 초과 바이어스가 너무 커 암전류 노이즈가 증대할 우려가 있다. 브레이크다운 전압의 편차 등에 의한 초과 바이어스의 변동을 억제하기 위해서는, 작업자가 제품마다 조정을 행하면 되지만, 수고가 많이 든다. 이 때문에, 상술한 종래 기술에서는, 브레이크다운 전압의 편차 등에 의한 초과 바이어스의 변동을 억제하는 것이 곤란하다.
본 기술은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 광을 검출하는 장치에 있어서 초과 바이어스를 적절한 값으로 제어하는 것을 목적으로 한다.
본 기술은, 상술한 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것으로, 그 제1 측면은, 입사광을 광전 변환하여 광전류를 출력하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드의 캐소드에 접속된 저항과, 상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드의 전위가 높을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 제어 회로를 구비하는 고체 촬상 소자이다. 이에 의해, 저항에 광전류가 흘렀을 때의 캐소드 전위가 높을수록 낮은 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되어 초과 바이어스가 적절한 값으로 제어된다고 하는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드 전위를 검출하여 상기 제어 회로에 공급하는 검출 회로를 더 구비할 수도 있다. 이에 의해, 광전류가 흘렀을 때의 캐소드 전위가 검출되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 저항 및 상기 포토다이오드는, 복수의 화소 회로의 각각에 배치되고, 상기 복수의 화소 회로의 각각의 상기 캐소드는, 상기 검출 회로에 공통으로 접속되고, 상기 검출 회로는, 상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드의 각각의 전위 중 최소값을 검출하여도 된다. 이에 의해, 캐소드의 각각의 전위 중 최소값에 따른 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 캐소드에 접속된 가변콘덴서를 더 구비할 수도 있다. 이에 의해, 가변콘덴서에 의해 캐소드 전위의 오차가 경감되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 리프레쉬 펄스 신호에 따라 상기 저항의 양단을 단락하는 트랜지스터를 더 구비하고, 상기 제어 회로는, 상기 입사광의 입사 직전에 상기 리프레쉬 펄스 신호를 상기 트랜지스터에 더 공급할 수도 있다. 이에 의해, 입사광의 입사 직전에 리프레쉬 펄스 신호에 의해 저항의 양단이 단락되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 포토다이오드는, 애벌런치 포토다이오드이며, 상기 저항의 저항값은, 상기 캐소드 전위가 고정되는 값이여도 된다. 이에 의해, 고정된 캐소드 전위에 따른 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 캐소드 전위와 미리 정해진 전위를 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교기를 더 구비하고, 상기 제어 회로는, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 캐소드 전위가 상기 미리 정해진 전위보다 높을 경우에 상기 캐소드 전위가 상기 미리 정해진 전위에 미치지 못하는 경우보다도 낮은 전위를 상기 애노드에 공급해도 된다. 이에 의해, 캐소드 전위와 미리 정해진 전위와의 비교 결과에 따른 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 제어 회로는, 미리 정해진 주기 내에서 상기 캐소드 전위가 미리 정해진 임계값보다도 낮아진 횟수를 계수하여 상기 횟수가 미리 정해진 횟수에 미치지 못하는 경우에는 상기 횟수가 상기 미리 정해진 횟수보다 많을 경우보다도 낮은 전위를 상기 애노드에 공급해도 된다. 이에 의해, 캐소드 전위가 미리 정해진 임계값보다도 낮아진 횟수에 따른 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 캐소드 전위 신호를 반전하여 펄스 신호로서 출력하는 인버터를 더 구비하고, 상기 제어 회로는, 상기 펄스 신호의 펄스 폭이 짧을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급해도 된다. 이에 의해, 펄스 신호의 펄스 폭에 따른 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 저항의 일단은, 상기 캐소드에 접속되고, 타단은 미리 정해진 전위의 단자에 접속되고, 상기 제어 회로는, 상기 캐소드 전위와 상기 미리 정해진 전위와의 사이의 전압을 측정하여, 상기 전압이 높을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급할 수도 있다. 이에 의해, 상기 캐소드 전위와 미리 정해진 전위와의 사이의 전압에 따른 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 이 제1 측면에 있어서, 상기 저항 및 상기 포토다이오드는, 복수의 화소 회로의 각각에 배치되어, 상기 제어 회로는, 상기 복수의 화소 회로 중 어느 하나를 유효로 설정(enable)하고 해당 설정한 화소 회로의 상기 캐소드 전위와 상기 미리 정해진 전위와의 사이의 전압을 측정할 수도 있다. 이에 의해, 유효로 설정한 화소 회로의 캐소드 전위에 따른 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 본 기술의 제2 측면은, 입사광을 광전 변환하여 광전류를 출력하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드의 캐소드에 접속된 저항과, 온도를 측정하여 상기 온도가 낮을수록, 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 제어 회로를 구비하는 고체 촬상 소자이다. 이에 의해, 온도가 낮을수록, 낮은 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
또한, 본 기술의 제3 측면은, 조사광을 공급하는 발광부와, 상기 조사광에 대한 반사광을 광전 변환하여 광전류를 출력하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드의 캐소드에 접속된 저항과, 상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드 전위가 높을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 제어 회로를 구비하는 전자 장치이다. 이에 의해, 반사광을 광전 변환한 광전류가 저항에 흘렀을 때의 캐소드 전위가 높을수록 낮은 전위가 포토다이오드의 애노드에 공급되는 작용을 나타낸다.
본 기술에 의하면, 광을 검출하는 장치에 있어서 포토다이오드의 애노드 전위의 적정값으로부터의 변동을 억제할 수 있다는 우수한 효과를 얻을 수 있다. 한편, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것이 아니며, 본 개시 중에 기재된 어떠한 효과이어도 된다.
도 1은 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 측거 모듈의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 고체 촬상 소자의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 화소 어레이부의 평면도의 일례이다.
도 4는 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 제어 회로, 차광 화소 회로 및 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 5는 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 비모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 6은 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 포토다이오드의 전압-전류 특성의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 신호 처리부의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 캐소드 전위 및 보텀 전위(bottom potential)의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 9는 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 보텀 전위가 높을 때의 캐소드 전위, 애노드 전위 및 펄스 신호의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 10은 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 보텀 전위가 낮을 때의 캐소드 전위, 애노드 전위 및 펄스 신호의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 11은 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 발광 제어 신호 및 펄스 신호의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 12는 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 측거 모듈의 동작의 일례를 나타내는 플로우차트이다.
도 13은 본 기술의 제2 실시형태에 있어서의 화소 어레이부의 평면도의 일례이다.
도 14는 본 기술의 제2 실시형태에 있어서의 차광 화소 회로 및 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 15는 본 기술의 제3 실시형태에 있어서의 제어 회로 및 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 16은 본 기술의 제4 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 17은 본 기술의 제4 실시형태에 있어서의 제어 회로의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 18은 본 기술의 제4 실시형태에 있어서의 캐소드 전위와 애노드 전위의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 기술의 제5 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 20은 본 기술의 제5 실시형태에 있어서의 제어 회로의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 21은 본 기술의 제5 실시형태에 있어서의 카운트 값과 애노드 전위의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 22는 본 기술의 제6 실시형태에 있어서의 제어 회로의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 23은 본 기술의 제6 실시형태에 있어서의 제어 회로 및 모니터 화소 회로의 동작의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 24는 본 기술의 제7 실시형태에 있어서의 제어 회로의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 25는 본 기술의 제8 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 26은 본 기술의 제9 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 27은 본 기술의 비교예 및 제9 실시형태에 있어서의 보텀 전위의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 28은 본 기술의 제10 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로의 회로도의 일례이다.
도 29는 본 기술의 제10 실시형태에 있어서의 제어 회로의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 30은 본 기술의 제10 실시형태에 있어서의 발광 제어 신호, 리프레쉬 펄스 신호 및 보텀 전위의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 31은 본 기술의 제11 실시형태에 있어서의 화소 어레이부의 평면도의 일례이다.
도 32는 본 기술의 제11 실시형태에 있어서의 제어 회로의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 33은 본 기술의 제11 실시형태에 있어서의 온도와 애노드 전위의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 34는 차량제어 시스템의 개략적인 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 35는 촬상부의 설치 위치의 일례를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시형태라고 칭함)에 대해서 설명한다. 설명은 이하의 순서로 한다.
1. 제1 실시형태 (캐소드 전위에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
2. 제2 실시형태 (복수의 모니터 화소의 캐소드 전위의 최소값에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
3. 제3 실시형태 (모니터 화소가 출력하는 고정의 캐소드 전위에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
4. 제4 실시형태 (캐소드 전위와 소정 전위와의 비교 결과에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
5. 제5 실시형태 (캐소드 전위에 관련되는 카운트 값에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
6. 제6 실시형태 (캐소드 전위에 관련되는 펄스 폭에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
7. 제7 실시형태 (캐소드 전위에 관련되는 초과 바이어스에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
8. 제8 실시형태 (인에이블된 모니터 화소의 캐소드 전위에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
9. 제9 실시형태 (가변콘덴서를 추가한 모니터 화소의 캐소드 전위에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
10. 제10 실시형태(펄스 신호를 공급한 모니터 화소의 캐소드 전위에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
11. 제11 실시형태(온도에 따라 애노드 전위를 제어하는 예)
12. 이동체에의 응용예
<1. 제1 실시형태>
[측거 모듈의 구성예]
도 1은, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 측거 모듈(100)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 측거 모듈(100)은, 물체까지의 거리를 측정하는 것이며, 발광부(110), 동기 제어부(120) 및 고체 촬상 소자(200)를 구비한다. 측거 모듈(100)은, 스마트폰, 퍼스널컴퓨터나 차재 기기 등에 탑재되며, 거리를 측정하기 위해 사용된다.
동기 제어부(120)는, 발광부(110) 및 고체 촬상 소자(200)를 서로 동기시켜 동작시키는 것이다. 이 동기 제어부(120)는, 소정 주파수(10 내지 20 메가헤르츠 등)의 클럭 신호를 발광 제어 신호(CLKp)로 하여, 발광부(110) 및 고체 촬상 소자(200)에 신호선(128 및 129)을 통해 공급한다.
발광부(110)는, 동기 제어부(120)로부터의 발광 제어 신호(CLKp)에 동기하여 간헐광을 조사광으로서 공급하는 것이다. 예를 들면, 조사광으로서 근적외광 등이 사용된다.
고체 촬상 소자(200)는, 조사광에 대한 반사광을 수광하고, 발광 제어 신호 CLp가 나타내는 발광 타이밍에서부터 반사광을 수광한 타이밍까지의 왕복 시간을 측정하는 것이다. 이 고체 촬상 소자(200)는, 물체까지의 거리를 왕복 시간으로부터 산출하고, 그 거리를 나타내는 거리 데이터를 생성하여 출력한다.
[고체 촬상 소자의 구성예]
도 2는, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 고체 촬상 소자(200)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 고체 촬상 소자(200)는, 제어 회로(210), 화소 어레이부(240) 및 신호 처리부(230)를 구비한다. 화소 어레이부(240)에는, 복수의 화소 회로가 2차원 격자 형상으로 배열된다.
제어 회로(210)는, 화소 어레이부(240) 내의 화소 회로의 각각의 전위를 제어하는 것이다. 제어 내용의 상세에 대해서는 후술한다.
신호 처리부(230)는, 화소 회로로부터의 신호와, 동기 제어부(120)로부터의 발광 제어 신호(CLKp)에 기초하여 화소 회로마다 왕복 시간을 측정하고, 거리를 산출하는 것이다. 이 신호 처리부(230)는, 거리를 나타내는 거리 데이터를 화소 회로마다 생성하고, 이들을 외부로 출력한다.
도 3은, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 화소 어레이부(240)의 평면도의 일례이다. 화소 어레이부(240)의 일부는 차광되어 있고, 그 차광된 부분에 차광 화소 회로(250)가 배열되고, 차광되지 않은 부분에 모니터 화소 회로(260) 및 비모니터 화소 회로(280)가 배열된다. 동 도면에 있어서 음영 부분은, 화소 어레이부(240) 중 차광 화소 회로(250)가 배열된 부분이다. 또한, 모니터 화소 회로(260) 및 비모니터 화소 회로(280)의 총 수는 N(N은 2이상의 정수)개이며, 이들은 2차원 격자 형상으로 배열된다. 또한, N개 중 하나는 모니터 화소 회로(260)이며, 나머지는 비모니터 화소 회로(280)이다.
이하, 수평 방향으로 배열된 화소 회로의 집합을 "행"이라고 하고, 행에 수직인 방향으로 배열된 화소 회로의 집합을 "열"이라고 칭한다.
[화소 회로의 구성예]
도 4는, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 제어 회로(210), 차광 화소 회로(250) 및 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다.
모니터 화소 회로(260)는, 저항(261), 포토다이오드(262), 인버터(263) 및 트랜지스터(264)를 구비한다.
저항(261)의 일단은 포토다이오드(262)의 캐소드에 접속되고, 타단은 전위 VE의 단자에 접속된다. 트랜지스터(264)로서, 예를 들면, N형의 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터가 사용된다. 이 트랜지스터(264)의 게이트에는, 소정 전위의 게이트 신호 GAT가 인가되고, 소스는, 백 게이트 및 접지 단자와 접속되고, 드레인은 포토다이오드(262)의 캐소드와 인버터(263)의 입력 단자에 접속된다. 게이트 신호 GAT에는, 예를 들면, 행 판독 기간에서 저레벨이 설정된다.
포토다이오드(262)는, 반사광이 입사되면, 그 입사광을 광전 변환하여 광전류 Im을 출력하는 것이다. 이 포토다이오드(262)로서, 예를 들면, SPAD가 이용된다. SPAD 또한, 포토다이오드(262)의 애노드 전위(VSPAD)는, 제어 회로(210)에 의해 제어된다.
인버터(263)는, 포토다이오드(262)의 캐소드 전위(Vs)의 신호를 반전하여 펄스 신호 OUT으로서, 신호 처리부(230)에 출력하는 것이다. 이 인버터(263)는, 캐소드 전위(Vs)가 소정의 임계값보다 높을 경우에 저레벨의 펄스 신호 OUT을 출력하고, 이 임계값 이하인 경우에 고레벨의 펄스 신호 OUT을 출력한다.
반사광의 입사시에 있어서, 포토다이오드(262)로부터의 광전류 Im이 저항(261)에 흐르고, 그 전류값에 따라 캐소드 전위(Vs)가 강하한다. 강하 시의 캐소드 전위(Vs)가 임계값 이하이면 인버터(263)는 고레벨의 펄스 신호 OUT을 출력한다. 이 때문에, 신호 처리부(230)는, 펄스 신호 OUT의 상승 타이밍을 수광 타이밍으로서 검출할 수 있다. 또한, 모니터 화소 회로(260)의 캐소드 전위(Vs)는, 차광 화소 회로(250)에 의해 감시된다.
또한, 차광 화소 회로(250)는, 저항(251), 다이오드(252) 및 콘덴서(253)를 구비한다. 저항(251) 및 콘덴서(253)는, 전위 VE 단자와 접지 단자의 사이에 직렬로 접속된다. 또한, 다이오드(252)의 캐소드는 포토다이오드(262)의 캐소드에 접속되고, 애노드는 저항(251) 및 콘덴서(253)의 접속점에 접속된다.
상술한 구성에 의해, 차광 화소 회로(250)는, 입사광이 입사되었을 때의 캐소드 전위를 보텀 전위(Vbtm)로서 검출한다. 한편, 차광 화소 회로(250)는, 특허청구 범위에 기재된 검출 회로의 일례이다.
또한, 제어 회로(210)는, 비교기(211) 및 보정 다이오드(212)를 구비한다. 비교기(211)의 반전 입력 단자(-)는, 저항(251) 및 콘덴서(253)의 접속점에 접속되고, 비반전 입력 단자(+)는, 보정 다이오드(212)의 애노드에 접속된다. 보정 다이오드(212)의 캐소드에는, 소정의 전원이 접속된다. 이 보정 다이오드(212)의 온도 특성은, 다이오드(252)와 동일한 것으로 한다. 보정 다이오드(212)의 삽입에 의해, 다이오드(252)의 온도 특성에 의한 보텀 전위(Vbtm)의 오차를 보정할 수 있다.
비교기(211)는, 다음 식에 의해, 보텀 전위(Vbtm)가 높을수록 낮은 전위를 VSPAD로서 생성하여, 포토다이오드(262)의 애노드에 공급하는 것이다.
VSPAD=Av(VDD-Vbtm)
위 식에 있어서, Av는 비교기(211)의 이득이며, VDD는 전원 전위이다.
도 5는, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 비모니터 화소 회로(280)의 회로도의 일례이다. 이 비모니터 화소 회로(280)는, 저항(281), 포토다이오드(282), 인버터(283) 및 트랜지스터(284)를 구비한다. 이들 소자의 접속 구성은, 모니터 화소 회로(260)와 동일하다. 단, 비모니터 화소 회로(280)에 있어서 포토다이오드(282)의 캐소드는, 차광 화소 회로(250)와 접속되지 않고, 캐소드 전위가 감시되지 않는다.
도 6은, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 포토다이오드(262)의 전압-전류 특성의 일례를 나타내는 그래프이다. 동 도면에 있어서의 가로축은 포토다이오드(262)의 애노드-캐소드 사이에 인가되는 전압이며, 세로축은 포토다이오드(262)로부터의 광전류이다. 가이거 모드로 동작시키는 경우, 포토다이오드(262)의 애노드-캐소드 간 전압에는, 마이너스 값, 즉 역방향 바이어스가 인가된다. 포토다이오드(262)로서 상술한 SPAD를 이용하는 경우, 역방향 바이어스가 소정의 항복 전압보다 낮으면, 포토다이오드(262)에 있어서 애벌런치 항복이 발생하고, 광전류가 증폭된다. 이 항복 전압보다, 수 볼트 낮은 전압을 애노드-캐소드 사이에 인가하면, 증폭에 있어서의 게인은, 실질적으로 무한대가 되고, 1개의 광자(photon)를 검출할 수 있게 된다.
[신호 처리부의 구성예]
도 7은, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 신호 처리부(230)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 신호 처리부(230)는, 열마다 TDC(Time-to-Digital Converter)(231) 및 거리 데이터 생성부(232)를 구비한다.
TDC(231)는, 발광 제어 신호(CLKp)가 나타내는 발광 타이밍에서부터, 대응하는 열로부터의 펄스 신호 OUT의 상승(즉, 수광 타이밍)까지의 시간을 계측하는 것이다. 이 TDC(231)는, 측정한 시간을 나타내는 디지털 신호를 거리 데이터 생성부(232)에 공급한다.
거리 데이터 생성부(232)는, 물체까지의 거리 D를 산출하는 것이다. 이 거리 데이터 생성부(232)는, 발광 제어 신호(CLKp)보다 낮은 주파수(30 Hz 등)의 수직동기신호(VSYNC)의 주기마다, 그 주기 내에서 TDC(231)에 의해 계측된 시간 중 최빈값(mode value)을 왕복 시간 dt로서 구한다. 그리고, 거리 데이터 생성부(232)는, 다음 식을 이용하여 거리 D를 산출하고, 그 거리 D를 나타내는 거리 데이터를 출력한다.
D=c×dt/2
위 식에 있어서, c는 광속이며, 단위는, m(미터)/s(초)이다. 또한, 거리 D의 단위는, 예를 들면, 미터(m)이며, 왕복 시간 dt의 단위는, 예를 들면, 초(s)이다.
도 8은, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 캐소드 전위(Vs) 및 보텀 전위(Vbtm)의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
어느 타이밍 T0에 있어서 반사광이 입사되면, 포토다이오드(262)로부터의 광전류가 저항(261)에 흘러 전압 강하가 생기고, 캐소드 전위(Vs)가 저하된다. 차광 화소 회로(250)는, 이 때의 전위를 보텀 전위(Vbtm)로서 제어 회로(210)에 출력한다.
그리고, 타이밍 T0로부터 일정한 리차지(recharge) 시간이 경과하면, 캐소드 전위(Vs)는 저하 전의 전위로 되돌아간다. 그 후의 타이밍 T2에서 반사광이 입사하면, 캐소드 전위(Vs)는 다시 저하된다. 이하, 같은 동작이 반복된다.
또한, 보텀 전위(Vbtm)는, 콘덴서(253)의 용량에 따라, 타이밍 T0로부터 타이밍 T2까지의 사이에서 약간 증대한다. 여기서, 캐소드 전위(Vs)의 실제의 최소값을 참(true) 값이라 하면, 보텀 전위(Vbtm)에는 참 값에 대해 약간의 오차가 생기지만, 콘덴서(253)의 용량을 충분히 크게 함으로써, 이 참 값에 가까운 값을 출력할 수 있다.
도 9는, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 보텀 전위가 높을 때의 캐소드 전위, 애노드 전위 및 펄스 신호의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다. 어느 타이밍 T0에서 반사광이 입사하면, 캐소드 전위(Vs)는, 임계값 VT보다 높은 보텀 전위(Vbtm)까지 강하하고, 리차지에 의해 원래의 전위 VE로 돌아간다. 여기서, 임계값 VT는, 입사광이 입사되었는지 아닌지를 판정하기 위한 전압이며, 캐소드 전위(Vs)가 임계값 VT보다 낮을 때, 인버터(263)는 고레벨의 펄스 신호 OUT을 출력한다.
그리고, 보텀 전위(Vbtm)와 애노드 전위(VSPAD)의 차 전압(브레이크다운 전압)을 VBD라 하면, 초과 바이어스는, 브레이크다운 전압(VBD)의 편차나 온도에 의해 변동한다. 브레이크다운 전압(VBD)가 높을수록, 초과 바이어스는 커진다. 통상은, 초과 바이어스는, 보텀 전위(Vbtm)가 임계값 VT보다 작게 되는 값으로 된다.
그러나, 전압(VBD)의 편차나 온도의 요인에 의해 초과 바이어스가 변동하고, 보텀 전위(Vbtm)가 임계값 VT보다 낮게 되지 않는 경우가 있다. 이 경우에는, 광이 입사되었음에도 불구하고, 펄스 신호 OUT가 고레벨로 되지 않고, 후단의 신호 처리부(230)는 입사광을 검출할 수 없게 될 우려가 있다. 이 때문에, 애노드 전위를 고정값으로 하면, 광자 검출 효율(PDE:Photon Detection Efficiency)이 저하될 가능성이 있다. 여기서, 광자 검출 효율은, 광이 입사되고 광자 카운팅을 행하였을 때, 입사된 광자수에 대한 카운트된 광자수의 비율을 나타낸다. 광자 검출 효율이 높을수록, 포토다이오드(262)의 감도가 높아진다.
이에, 제어 회로(210)는, 보텀 전위(Vbtm)가 높을수록, 애노드 전위(VSPAD)의 전위를 낮게 한다. 이에 의해, 전압(VBD)가 높아져, 광전류가 증대하여 초과 바이어스가 커진다. 따라서, 타이밍 T1에서 다시 광이 입사하면, 캐소드 전위(Vs)는, 타이밍 T2에서 임계값 VT보다 낮아진다. 그리고 보텀 전위까지 도달하면 리차지에 의해 캐소드 전위(Vs)는 상승하고, 타이밍 T3에서 임계값 VT 이상이 된다. 또한, 인버터(263)는, 타이밍 T2로부터 타이밍 T3까지의 사이에 고레벨의 펄스 신호 OUT을 출력한다. 이와 같이, 애노드 전위(VSPAD)를 높게 제어함으로써, 광의 입사 시에 펄스 신호 OUT가 상승하므로, 신호 처리부(230)는, 광을 검출할 수 있고, 광자 검출 효율(PDE)이 충분히 높아진다.
도 10은, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 보텀 전위가 낮을 때의 캐소드 전위, 애노드 전위 및 펄스 신호의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다. 어느 타이밍 T0에서 반사광이 입사하면, 캐소드 전위(Vs)는 강하하고, 타이밍 T1에서 임계값 VT보다 낮아진다. 그리고, 캐소드 전위(Vs)는, 0 볼트보다 낮은 보텀 전위(Vbtm)까지 강하하고, 그 후는 리차지에 의해 상승하여 타이밍 T2에서 임계값 VT보다 높아진다. 또한, 인버터(263)는, 타이밍 T1로부터 타이밍 T2까지의 사이에 고레벨의 펄스 신호 OUT을 출력한다.
전압(VBD)이 충분히 높으면 보텀 전위(Vbtm)가 임계값 VT보다 낮게 되므로, 상술한 바와 같이 입사광을 검출할 수 있다. 그러나, 온도 등의 요인에 의해 전압(VBD)이 지나치게 높아지면, 암전류 노이즈의 영향을 받기 쉬워진다. 그 결과, 애노드 전위를 고정값으로 하면, 암전류 노이즈에 의한 카운트오류율(erroneous count rate)을 나타내는 DCR(Dark Count Rate)이 커질 우려가 있다. 또한, 래치 업이 생길 우려나, 포토다이오드(262)가 고장날 확률이 높아진다.
이에, 제어 회로(210)는, 보텀 전위(Vbtm)가 낮을수록, 애노드 전위(VSPAD)의 전위를 높게 한다. 이에 의해, 전압(VBD)이 낮아져, 초과 바이어스가 작게 되고 보텀 전위(Vbtm)가 높아진다. 그 결과, 카운트오류율(DCR)의 증대 등의 악영향이 억제된다.
단, 보텀 전위(Vbtm)는, 임계값 VT보다 낮게 되는 정도로 제어된다. 따라서, 타이밍 T3에서 다시 광이 입사하면, 캐소드 전위(Vs)는, 타이밍 T4에서 임계값 VT보다 낮아진다. 그리고 보텀 전위까지 도달하면 리차지에 의해 캐소드 전위(Vs)는 상승하고, 타이밍 T5에서 임계값 VT 이상이 된다. 또한, 인버터(263)는, 타이밍 T4로부터 타이밍 T5까지의 사이에 고레벨의 펄스 신호 OUT을 출력한다. 따라서, 광자 검출 효율은 충분히 높은 값으로 유지된다.
도 11은, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 발광 제어 신호 및 펄스 신호의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다. 발광부(110)는, 발광 제어 신호(CLKp)에 동기하여 발광하고, 고체 촬상 소자(200)는, 반사광을 수광하여 펄스 신호 OUT을 생성한다. 발광 제어 신호(CLKp)의 상승 타이밍(Ts)에서부터 펄스 신호의 상승 타이밍(Te)까지의 시간은, 거리에 따른 값이 된다. 고체 촬상 소자(200)는, 그 시간의 통계량(최빈값 등)으로부터 물체까지의 거리 D를 산출한다.
[측거 모듈의 동작 예]
도 12는, 본 기술의 제1 실시형태에 있어서의 측거 모듈(100)의 동작의 일례를 나타내는 플로우차트이다. 이 동작은, 예를 들면, 거리를 측정하기 위한 소정의 어플리케이션이 실행되었을 때 개시된다.
발광부(110)는 발광을 개시하고, 고체 촬상 소자(200) 내의 화소 회로는 반사광의 수광을 개시한다(스텝 S901). 또한, 제어 회로(210)는, 보텀 전위(Vbtm)에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 제어한다(스텝 S902). 또한, 신호 처리부(230)는, 왕복 시간을 측정하고(스텝 S903), 그 왕복 시간으로부터 거리 데이터를 산출한다(스텝 S904). 스텝 S904의 후에, 고체 촬상 소자(200)는, 측거를 위한 동작을 종료한다. 복수 회에 걸쳐 측거를 행하는 경우에는, 수직동기신호(VSYNC)에 동기하여 스텝 S901 ~ 스텝 S904가 반복하여 실행된다.
이와 같이, 본 기술의 제1 실시형태에서는, 고체 촬상 소자(200)는, 보텀 전위(Vbtm)가 높을수록 낮은 애노드 전위(VSPAD)를 공급하므로, 보텀 전위(Vbtm)가 높을수록 포토다이오드(262)로부터의 광전류를 증대시킬 수 있다. 이에 의해, 브레이크다운 전압(VBD)의 편차나 온도에 의한 초과 바이어스의 변동을 억제할 수 있다.
<2. 제2 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 고체 촬상 소자(200)는, 모니터 화소 회로(260)를 1개만 화소 어레이부(240)에 배치하고 있었으나, 경년 열화 등에 의해 모니터 화소 회로(260)가 고장나 그 화소가 결함 화소로 될 우려가 있다. 이 제2 실시형태의 화소 어레이부(240)는, 복수의 모니터 화소 회로(260)를 배치한 점에서 제1 실시형태와 다르다.
도 13은, 본 기술의 제2 실시형태에 있어서의 화소 어레이부(240)의 평면도의 일례이다. 이 화소 어레이부(240)에는, 2개 이상의 모니터 화소 회로(260)가 배치되는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
예를 들면, 화소 어레이부(240)의 1행은, M(M은, 2이상 N미만의 정수)개의 모니터 화소 회로(260)로 이루어지며, 나머지 행에는, 비모니터 화소 회로(280)가 배열된다.
도 14는, 본 기술의 제2 실시형태에 있어서의 차광 화소 회로(250) 및 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다. M개의 모니터 화소 회로(260)는, 차광 화소 회로(250)에 공통으로 접속된다. 차광 화소 회로(250)에는, 모니터 화소 회로(260)마다 다이오드(252)가 설치된다.
각각의 다이오드(252)의 캐소드는, 대응하는 모니터 화소 회로(260)에 접속되고, 애노드는, 저항(251) 및 콘덴서(253)의 접속점에 공통으로 접속된다.
상술한 구성에 의해, 차광 화소 회로(250)는, 복수의 모니터 화소 회로(260)의 각각의 캐소드 전위 중 최소값을 보텀 전위(Vbtm)로서 검출할 수 있다.
이와 같이, 본 기술의 제2 실시형태에 의하면, 고체 촬상 소자(200)는, 복수의 모니터 화소 회로(260)의 각각의 캐소드 전위의 최소값을 검출하므로, 어떠한 모니터 화소 회로(260)가 고장나더라도 초과 바이어스를 적절한 값으로 제어할 수 있다.
<3. 제3 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 고체 촬상 소자(200)는, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 설치한 차광 화소 회로(250)에 의해 보텀 전위(Vbtm)를 검출하고 있었으나, 콘덴서(253) 등의 회로의 추가에 의해, 회로 규모가 증대할 우려가 있다. 고체 촬상 소자(200)의 실장 면적을 작게 하는 관점에서, 회로 규모는 작은 것이 바람직하다. 이 제3 실시형태의 화소 어레이부(240)는, 차광 화소 회로(250)대신에 모니터 화소 회로(260)가 보텀 전위(Vbtm)를 검출하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 15는, 본 기술의 제3 실시형태에 있어서의 제어 회로(210) 및 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다. 이 제3 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 저항(261)대신에, 저항(265)가 설치되어 있는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다. 또한, 포토다이오드(262)의 캐소드는, 비교기(211)의 반전 입력 단자(-)에 접속된다. 또한, 제어 회로(210)에는, 보정 다이오드(212)가 설치되지 않고, 차광 화소 회로(250)에는, 콘덴서(253) 및 다이오드(252)가 설치되지 않는다.
저항(265)의 저항값은, 비모니터 화소 회로(280) 내의 저항(281)보다 작고, 포토다이오드(262)에 광이 입사되지 않는 암상태에 있어서도 애벌런치 항복이 생기는 정도의 값으로 설정된다. 이에 의해, 광전류 IL의 값은, 암상태에 있어서도 광의 입사 시와 마찬가지의 값으로 고정(바꿔 말하면, 래치)된다. 따라서, 캐소드 전위는 보텀 전위(Vbtm)로 고정되고, 제어 회로(210)는, 그 전위에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 기술의 제3 실시형태에 의하면, 모니터 화소 회로(260)가 보텀 전위(Vbtm)를 검출하므로, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 삭감할 수 있다. 이에 의해, 화소 어레이부(240)의 회로 규모를 작게 할 수 있다.
<4. 제4 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 고체 촬상 소자(200)는, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 설치한 차광 화소 회로(250)에 의해 보텀 전위(Vbtm)를 검출하고 있었으나, 콘덴서(253) 등의 회로의 추가에 의해, 회로 규모가 증대할 우려가 있다. 고체 촬상 소자(200)의 실장 면적을 작게 하는 관점에서, 회로 규모는 작은 것이 바람직하다. 이 제4 실시형태의 고체 촬상 소자(200)는, 제어 회로(210)가, 모니터 화소 회로(260)의 출력 값으로부터 보텀 전위(Vbtm)를 추측하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 16은, 본 기술의 제4 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다. 이 제4 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 인버터(263) 대신에 비교기(266)를 구비하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다. 또한, 포토다이오드(262)의 캐소드는, 차광 화소 회로(250)와 접속되지 않고, 차광 화소 회로(250)에는, 콘덴서(253) 및 다이오드(252)가 설치되지 않는다.
비교기(266)의 비반전 입력 단자(+)는, 포토다이오드(262)의 캐소드와 접속되고, 반전 입력 단자(-)는, 소정 전위(0.1볼트 등)의 전원 단자에 접속된다. 이 비교기(266)는, 캐소드 전위와 소정 전위를 비교하여 비교 결과를 스위칭 신호(SW)로서 제어 회로(210)에 공급한다. 이 스위칭 신호(SW)는, 캐소드 전위(Vs)가 소정 전위보다 높을 경우에 고레벨로 되고, 소정 전위 이하인 경우에 저레벨로 된다.
도 17은, 본 기술의 제4 실시형태에 있어서의 제어 회로(210)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 제어 회로(210)는, 비교기(211) 및 보정 다이오드(212) 대신에, 컨트롤러(213) 및 파워 IC(Integrated Circuit)(214)를 구비한다.
컨트롤러(213)는, 스위칭 신호(SW)에 따라, 파워 IC(214)가 공급하는 전위를 제어하는 것이다. 제어 내용의 상세에 대해서는 후술한다. 파워 IC(214)는, 컨트롤러(213)의 제어에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 공급하는 것이다.
도 18은, 본 기술의 제4 실시형태에 있어서의 캐소드 전위와 애노드 전위의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 동 도면에 있어서의 세로축은, 캐소드 전위(Vs)를 나타내고, 가로축은, 애노드 전위(VSPAD)를 나타낸다.
스위칭 신호(SW)가 고레벨(즉, 캐소드 전위(Vs)가 소정 전위보다 높음)인 경우, 보텀 전위(Vbtm)는, 임계값 VT 미만이 아닌 것으로 추측된다. 이 때, 컨트롤러(213)는, 파워 IC(214)에 목표값 VL을 공급시킨다. 한편, 스위칭 신호(SW)가 저레벨(즉, 캐소드 전위(Vs)가 소정 전위 이하)인 경우, 보텀 전위(Vbtm)는, 임계값 VT 미만인 것으로 추측된다. 이 때 컨트롤러(213)는, 파워 IC(214)에 목표값 VH를 공급시킨다. 이 목표값 VH는, 목표값 VL보다 높은 값으로 설정된다. 스위칭 신호(SW)에 따른 제어에 의해, 보텀 전위(Vbtm)가 높을수록 낮은 애노드 전위(VSPAD)가 공급된다.
이와 같이, 본 기술의 제4 실시형태에 의하면, 제어 회로(210)가, 캐소드 전위(Vs)와 소정 전위와의 비교 결과로부터 보텀 전위(Vbtm)를 추측하기 때문에, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 삭감할 수 있다. 이에 의해, 화소 어레이부(240)의 회로 규모를 작게 할 수 있다.
<5. 제5 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 고체 촬상 소자(200)는, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 설치한 차광 화소 회로(250)에 의해 보텀 전위(Vbtm)를 검출하고 있었으나, 콘덴서(253) 등의 회로의 추가에 의해, 회로 규모가 증대할 우려가 있다. 고체 촬상 소자(200)의 실장 면적을 작게 하는 관점에서, 회로 규모는 작은 것이 바람직하다. 이 제5 실시형태의 고체 촬상 소자(200)는, 제어 회로(210)가, 모니터 화소 회로(260)의 펄스 신호 OUT의 카운트 값으로부터 보텀 전위(Vbtm)를 추측하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 19는, 본 기술의 제5 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다. 이 제5 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로(260)는, 저항(261) 대신에 트랜지스터(267)를 구비하고, 인버터(263)가 펄스 신호 OUT을 제어 회로(210)에 공급하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다. 또한, 포토다이오드(262)의 캐소드는, 차광 화소 회로(250)와 접속되지 않고, 차광 화소 회로(250)에는, 콘덴서(253) 및 다이오드(252)가 설치되지 않는다.
트랜지스터(267)로서, 예를 들면, P형 MOS 트랜지스터가 이용된다. 또한, 트랜지스터(267)의 게이트에는, 저레벨의 바이어스전압 Vb이 인가된다. 한편, 트랜지스터(267)의 온 저항은, 특허청구 범위에 기재된 저항의 일례이다.
도 20은, 본 기술의 제5 실시형태에 있어서의 제어 회로(210)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 제5 실시형태의 제어 회로(210)는, 비교기(211) 및 보정 다이오드(212) 대신에, 컨트롤러(213), 파워 IC(214), 비교부(215) 및 카운터(216)를 구비하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
카운터(216)는, 수직동기신호(VSYNC)의 주기 내에 있어서, 펄스 신호 OUT이 고레벨이 된 횟수를 계수하는 것이다. 이 카운터(216)는, 카운트 값을 비교부(215)에 공급한다.
비교부(215)는, 카운트 값과 소정의 고정값을 비교하는 것이다. 이 비교부(215)는, 비교 결과를 스위칭 신호(SW)로서 컨트롤러(213)에 공급한다. 이 스위칭 신호(SW)는, 예를 들면, 카운트 값이 고정값보다 클 경우가 고레벨이 되고, 고정값 이하의 경우에 저레벨이 된다.
컨트롤러(213)는, 스위칭 신호(SW)에 따라, 파워 IC(214)가 공급하는 전위를 제어하는 것이다. 제어 내용의 상세에 대해서는 후술한다. 파워 IC(214)는, 컨트롤러(213)의 제어에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 공급하는 것이다.
도 21은, 본 기술의 제5 실시형태에 있어서의 카운트 값과 애노드 전위와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 동 도면에 있어서의 세로축은, 카운트 값을 나타내고, 가로축은, 애노드 전위(VSPAD)를 나타낸다.
스위칭 신호(SW)가 저레벨(즉, 카운트 값이 고정값 이하)인 것은, 보텀 전위(Vbtm)가 임계값 VT 미만이 된 횟수가 적은 것을 의미한다. 이 때, 컨트롤러(213)는, 파워 IC(214)에 목표값 VL을 공급시킨다. 한편, 스위칭 신호(SW)가 고레벨(즉, 카운트 값이 고정값보다 큼)인 것은, 보텀 전위(Vbtm)가 임계값 VT 미만이 된 횟수가 많은 것을 의미한다. 이 때 컨트롤러(213)는, 파워 IC(214)에 목표값 VH를 공급시킨다. 이 목표값 VH는, 목표값 VL보다 높은 값으로 설정된다.
이와 같이, 본 기술의 제5 실시형태에 의하면, 제어 회로(210)가, 보텀 전위(Vbtm)에 따른 카운트 값과 고정값과의 비교 결과에 기초하여 애노드 전위(VSPAD)를 제어하므로, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 삭감할 수 있다. 이에 의해, 화소 어레이부(240)의 회로 규모를 작게 할 수 있다.
<6. 제6 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 고체 촬상 소자(200)는, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 설치한 차광 화소 회로(250)에 의해 보텀 전위(Vbtm)를 검출하고 있었으나, 콘덴서(253) 등의 회로의 추가에 의해, 회로 규모가 증대할 우려가 있다. 고체 촬상 소자(200)의 실장 면적을 작게 하는 관점에서, 회로 규모는 작은 것이 바람직하다. 이 제6 실시형태의 고체 촬상 소자(200)는, 제어 회로(210)가, 모니터 화소 회로(260)의 펄스 폭으로부터 보텀 전위(Vbtm)를 추측하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 22는, 본 기술의 제6 실시형태에 있어서의 제어 회로(210)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 제6 실시형태의 제어 회로(210)는, 비교기(211) 및 보정 다이오드(212) 대신에, 컨트롤러(213), 파워 IC(214) 및 펄스 폭 검출부(217)를 구비하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다. 또한, 포토다이오드(262)의 캐소드는, 차광 화소 회로(250)와 접속되지 않고, 차광 화소 회로(250)에는, 콘덴서(253) 및 다이오드(252)가 설치되지 않는다.
펄스 폭 검출부(217)는, 모니터 화소 회로(260)로부터의 펄스 신호 OUT의 펄스 폭을 검출하는 것이다. 이 펄스 폭 검출부(217)는, 검출한 펄스 폭을 컨트롤러(213)에 공급한다.
컨트롤러(213)는, 펄스 폭에 기초하여, 파워 IC(214)가 공급하는 전위를 제어하는 것이다. 제어 내용의 상세에 대해서는 후술한다. 파워 IC(214)는, 컨트롤러(213)의 제어를 따라 애노드 전위(VSPAD)를 공급하는 것이다.
도 23은, 본 기술의 제6 실시형태에 있어서의 제어 회로(210) 및 모니터 화소 회로(260)의 동작의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
펄스 폭 검출부(217)는, 측거 시작 시 또는 측거 시작 전에, 소정의 펄스 기간에 걸쳐서 고레벨의 게이트 신호 GAT를 공급한다. 이때에 펄스 폭 검출부(217)에 의해 검출된 펄스 폭을, 컨트롤러(213)는, 기준값으로서 유지한다.
그리고, 반사광이 수광될 때마다 펄스 폭 검출부(217)는 펄스 폭을 검출하고, 컨트롤러(213)는, 그 펄스 폭과 기준값을 비교한다. 이 펄스 폭은, 보텀 전위(Vbtm)가 낮을수록, 넓어지는 경향이 있다. 이 경향에 기초하여 컨트롤러(213)는, 펄스 폭이 기준값보다 넓을 경우에, 파워 IC(214)에 목표값 VL을 공급시킨다. 한편, 펄스 폭이 기준값 이하인 경우에 컨트롤러(213)는, 파워 IC(214)에 목표값 VH를 공급시킨다. 이 목표값 VH는, 목표값 VL보다 높은 값으로 설정된다.
이와 같이, 본 기술의 제6 실시형태에 의하면, 제어 회로(210)가, 보텀 전위(Vbtm)에 따른 펄스 폭과 기준값과의 비교 결과에 기초하여 애노드 전위(VSPAD)를 제어하므로, 콘덴서(253)나 다이오드(252)를 삭감할 수 있다. 이에 의해, 화소 어레이부(240)의 회로 규모를 작게 할 수 있다.
<7. 제7 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 제어 회로(210)는, 아날로그 회로인 비교기(211)를 이용하여 애노드 전위(VSPAD)를 제어하고 있었다. 그러나, 일반적으로 아날로그 회로는, 디지털 회로보다 회로 규모가 크기 때문에, 실장 면적이 증대할 우려가 있다. 이 제7 실시형태의 제어 회로(210)는, 디지털 회로에 의해 애노드 전위(VSPAD)를 제어하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 24는, 본 기술의 제7 실시형태에 있어서의 제어 회로(210)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 제어 회로(210)는, 비교기(211) 및 보정 다이오드(212) 대신에, 컨트롤러(213), 파워 IC(214) 및 ADC(Analog to Digital Converter)(218)를 구비하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
ADC(218)에는, 전위 VE와 보텀 전위(Vbtm)의 차분의 초과 바이어스 dV가 입력된다. 이 ADC(218)는, 초과 바이어스 dV를 AD(Analog to Digital) 변환하여 디지털 신호를 컨트롤러(213)에 공급한다. 전위 VE는 일정하기 때문에, 초과 바이어스 dV는, 보텀 전위(Vbtm)가 낮을수록, 높은 값이 된다.
컨트롤러(213)는, 초과 바이어스 dV에 기초하여, 파워 IC(214)가 공급하는 전위를 제어하는 것이다. 이 컨트롤러(213)는, 초과 바이어스 dV가 낮을수록(즉, 보텀 전위(Vbtm)가 높을수록), 낮은 애노드 전위(VSPAD)를 파워 IC(214)에 공급시킨다. 파워 IC(214)는, 컨트롤러(213)의 제어에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 공급하는 것이다.
이와 같이, 본 기술의 제7 실시형태에서는, 제어 회로(210)는, 컨트롤러(213) 및 파워 IC(214)에 의해 애노드 전위(VSPAD)를 제어하므로, 아날로그 회로를 이용하는 경우와 비교하여 회로 규모를 삭감할 수 있다.
<8. 제8 실시형태>
상술한 제7 실시형태에서는, 고체 촬상 소자(200)는, 모니터 화소 회로(260)를 하나만 화소 어레이부(240)에 배치하고 있었으나, 경년 열화 등에 의해 모니터 화소 회로(260)가 고장나 그 화소가 결함 화소로 될 우려가 있다. 이 제8 실시형태의 화소 어레이부(240)는, 복수의 모니터 화소 회로(260)를 배치하고, 그들 중 어느 하나를 유효하게 하는(enabling) 점에 있어서 제7 실시형태와 다르다.
제8 실시형태의 화소 어레이부(240)에는, 도 13에 예시한 제2 실시형태와 마찬가지로, 복수의 모니터 화소 회로(260)가 배열된다.
도 25는, 본 기술의 제8 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다. 이 제8 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 저항(261) 대신에 트랜지스터(267)를 구비하는 점에 있어서 제7 실시형태와 다르다. 또한, 제8 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 트랜지스터(264) 대신에 스위치(268 및 270)과 인버터(269)와 다이오드(271)와 래치 회로(272)를 구비하는 점에 있어서 제7 실시형태와 다르다.
트랜지스터(267)로서, 예를 들면, P형 MOS 트랜지스터가 이용된다. 또한, 트랜지스터(267)의 게이트에는, 저레벨의 바이어스전압 Vb가 인가된다. 한편, 트랜지스터(267)의 온 저항은, 특허청구 범위에 기재된 저항의 일례이다.
래치 회로(272)는, 제어 회로(210)로부터의 인에이블 신호(EN)을 유지하는 것이다. 인에이블 신호(EN)는, 모니터 화소 회로(260)를 유효(enable) 또는 무효(disable)로 하기 위한 신호이다. 예를 들면, 유효하게 할 경우에 인에이블 신호(EN)에 고레벨이 설정되며, 무효로 할 경우에 저레벨이 설정된다.
인버터(269)는, 래치 회로(272)에 유지된 인에이블 신호(EN)를 반전하여 반전 신호로서 스위치(268)에 출력하는 것이다.
스위치(268)는, 포토다이오드(262)의 캐소드와 접지 단자와의 사이의 경로를 인버터(269)로부터의 반전 신호에 따라 개폐하는 것이다. 예를 들면, 스위치(268)는, 반전 신호가 고레벨인 경우에 닫힘 상태로 이행하고, 저레벨인 경우에 열림 상태로 이행한다.
스위치(270)는, 래치 회로(272)에 유지된 인에이블 신호(EN)에 따라 포토다이오드(262)의 캐소드와, 다이오드(271)의 캐소드와의 사이의 경로를 개폐하는 것이다. 예를 들면, 스위치(270)는, 인에이블 신호(EN)가 고레벨인 경우에 닫힘 상태로 이행하고, 저레벨인 경우에 열림 상태로 이행한다. 다이오드(271)의 애노드는, 차광 화소 회로(250)에 접속된다.
제8 실시형태의 컨트롤러(213)는, 인에이블 신호(EN)에 의해 복수의 모니터 화소 회로(260) 중 어느 하나를 선택하여 유효하게 하고, 나머지를 무효로 한다. 유효한 모니터 화소 회로(260)는, 입사광에 의해 전위가 강하하는 캐소드 전위(Vs)를 차광 화소 회로(250)에 공급한다. 한편, 무효인 모니터 화소 회로(260)는, 닫힘 상태의 스위치(268)로부터의 방전에 의해 포토다이오드(262)가 애벌런치 항복하지 않고, 열림 상태의 스위치(270)에 의해 캐소드 전위(Vs)를 출력하지 않는다.
또한, 컨트롤러(213)는, 정기적으로 유효한 모니터 화소 회로(260)를 스위칭한다. 예를 들면, 수직동기신호(VSYNC)의 주기마다, 유효한 모니터 화소 회로(260)를 스위칭한다. 무효인 모니터 화소 회로(260)의 포토다이오드(262)는 애벌런치 항복하지 않기 때문에, 정기적으로 어느 하나만을 유효하게 함으로써, 모두를 항상 유효하게 할 경우와 비교하여 포토다이오드(262)의 열화를 억제할 수 있다.
이와 같이, 본 기술의 제8 실시형태에서는, 제어 회로(210)가 복수의 모니터 화소 회로(260) 중 어느 하나를 유효하게 하여 애노드 전위(VSPAD)를 제어하므로, 이들 모두를 유효로 할 경우와 비교하여 포토다이오드(262)의 열화를 억제할 수 있다.
<9. 제9 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 차광 화소 회로(250)가 보텀 전위(Vbtm)를 검출하고 있었으나, 도 8에 예시한 바와 같이 보텀 전위(Vbtm)의 값에는 오차가 생길 우려가 있다. 이 제9 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 가변콘덴서를 추가하여 보텀 전위(Vbtm)의 오차를 경감시킨 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 26은, 본 기술의 제9 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다. 이 제9 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 저항(261) 대신에 트랜지스터(267)를 구비하고, 가변콘덴서(273)를 더 구비하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
트랜지스터(267)로서, 예를 들면, P형 MOS 트랜지스터가 이용된다. 또한, 트랜지스터(267)의 게이트에는, 저레벨의 바이어스전압 Vb가 인가된다. 한편, 트랜지스터(267)의 온 저항은, 특허청구 범위에 기재된 저항의 일례이다.
가변콘덴서(273)는, 용량값이 가변인 콘덴서이다. 이 가변콘덴서(273)의 일단은, 포토다이오드(262)의 캐소드에 접속되고, 타단은, 접지 단자에 접속된다.
가변콘덴서(273)는, 차광 화소 회로(250) 내의 콘덴서(253)와 병렬에 접속되기 때문에, 이들의 합성 용량은, 콘덴서(253)만의 경우보다 커진다. 이 때문에, 가변콘덴서(273)의 추가에 의해 보텀 전위(Vbtm)의 오차를 경감시킬 수 있다. 이 가변콘덴서(273)의 용량값은, 측거 전에 사용자 등에 의해 조절된다.
도 27은, 본 기술의 비교예 및 제9 실시형태에 있어서의 보텀 전위의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다. 동 도면의 a는, 가변콘덴서(273)가 없는 비교예에서 검출되는 보텀 전위의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다. 동 도면의 b는, 제9 실시형태에서 검출되는 보텀 전위의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
비교예에서는, 차광 화소 회로(250)에 의해 검출된 보텀 전위(Vbtm)는, 캐소드 전위(Vs)의 실제의 최소값(즉, 참 값)과 일치하지 않고, 오차가 발생하고 있다. 한편, 제9 실시형태에서는, 보텀 전위(Vbtm)는, 참 값과 거의 일치하며, 오차가 경감되고 있다.
이와 같이, 본 기술의 제9 실시형태에서는, 콘덴서(253)와 병렬로 가변콘덴서(273)를 접속하였기 때문에, 콘덴서(253)만의 경우보다 회로의 용량을 증대시킬 수 있다. 이에 의해, 보텀 전위(Vbtm)의 오차를 경감할 수 있다.
<10. 제10 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 차광 화소 회로(250)가 보텀 전위(Vbtm)를 검출하고 있었으나, 도 8에 예시한 바와 같이 보텀 전위(Vbtm)의 값에는 오차가 생길 우려가 있다. 이 제10 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 리프레쉬 펄스 신호의 인가에 의해 보텀 전위(Vbtm)의 오차를 경감시킨 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 28은, 본 기술의 제10 실시형태에 있어서의 모니터 화소 회로(260)의 회로도의 일례이다. 이 제10 실시형태의 모니터 화소 회로(260)는, 트랜지스터(274)를 더 구비하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
트랜지스터(274)로서, 예를 들면, P형 MOS 트랜지스터가 이용된다. 트랜지스터(274)는, 리프레쉬 펄스 신호(REF)에 따라, 저항(261)의 양단을 단락하는 것이다.
도 29는, 본 기술의 제10 실시형태에 있어서의 제어 회로(210)의 회로도의 일례이다. 이 제10 실시형태의 제어 회로(210)는, 리프레쉬 펄스 공급부(219)를 더 구비하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
리프레쉬 펄스 공급부(219)는, 발광 제어 신호(CLKp)에 동기하여 리프레쉬 펄스 신호(REF)를 모니터 화소 회로(260)에 공급하는 것이다.
도 30은, 본 기술의 제10 실시형태에 있어서의 발광 제어 신호(CLKp), 리프레쉬 펄스 신호(REF) 및 보텀 전위(Vbtm)의 변동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
발광 제어 신호(CLKp)의 상승 타이밍 Tp의 직전 타이밍 Tr에 있어서, 리프레쉬 펄스 공급부(219)는, 일정한 펄스 기간에 걸쳐 저레벨의 리프레쉬 펄스 신호(REF)를 공급한다. 이 펄스 기간 이외에는, 리프레쉬 펄스 신호(REF)는 고레벨로 설정된다. 저레벨의 리프레쉬 펄스 신호(REF)에 의해, 보텀 전위(Vbtm)가 전위 VE까지 상승하고, 콘덴서(253)가 충전된다. 타이밍 Tr에서 Tp까지의 기간 만큼, 콘덴서(253)의 방전 시간이 짧아지므로, 이 방전에 의한 보텀 전위(Vbtm)의 변동량이 작아지고, 보텀 전위(Vbtm)의 오차가 경감된다.
이와 같이, 본 기술의 제10 실시형태에서는, 제어 회로(210)가 리프레쉬 펄스 신호(REF)를 공급하여 콘덴서(253)를 충전시키기 때문에, 그 만큼, 콘덴서(253)의 방전 시간을 짧게 할 수 있다. 이에 의해, 보텀 전위(Vbtm)의 오차를 경감할 수 있다.
<11. 제11 실시형태>
상술한 제1 실시형태에서는, 제어 회로(210)는, 보텀 전위(Vbtm)에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 제어하고 있었으나, 온도 변화에 의해, 포토다이오드(262)의 감도가 변동하는 경우가 있다. 이 감도의 변동에 의해, 입사광의 검출 효율이 저하될 우려가 있다. 이 제11 실시형태의 제어 회로(210)는, 온도에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 제어하는 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 31은, 본 기술의 제11 실시형태에 있어서의 화소 어레이부(240)의 평면도의 일례이다. 이 제11 실시형태의 화소 어레이부(240)는, 모니터 화소 회로(260)가 배열되어 있지 않은 점에 있어서 제1 실시형태와 다르다.
도 32는, 본 기술의 제11 실시형태에 있어서의 제어 회로(210)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 이 제11 실시형태의 제어 회로(210)는, 컨트롤러(213), 파워 IC(214), 비교부(215), 온도 센서(220) 및 역방향 바이어스 설정값 보유부(221)를 구비한다.
온도 센서(220)는, 측거 모듈(100) 내의 온도를 측정하는 것이다. 온도 센서(220)는, 측정 값을 비교부(215)에 공급한다. 비교부(215)는, 측정 값과 소정의 고정값을 비교하고, 비교 결과를 스위칭 신호(SW)로서 컨트롤러(213)에 공급하는 것이다. 온도가 고정값보다 높을 경우에, 예를 들면, 스위칭 신호(SW)에 고레벨이 설정되고, 온도가 고정값 이하인 경우에 저레벨이 설정된다.
역방향 바이어스 설정값 보유부(221)는, 미리 측정해 둔 브레이크다운 전압을 설정값(VBD)로서 보유하는 것이다.
컨트롤러(213)는, 온도와 설정값(VBD)에 기초하여, 파워 IC(214)가 공급하는 전위를 제어하는 것이다. 제어 내용의 상세에 대해서는 후술한다. 파워 IC(214)는, 컨트롤러(213)의 제어에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 공급하는 것이다.
도 33은, 본 기술의 제11 실시형태에 있어서의 온도와 애노드 전위와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 동 도면에 있어서의 세로축은, 측정된 온도를 나타내고, 가로축은, 애노드 전위(VSPAD)를 나타낸다.
스위칭 신호(SW)가 고레벨(즉, 온도가 고정값보다 높음)인 경우에, 컨트롤러(213)는, 다음 식에 의해 목표값 VL을 설정하고, 파워 IC(214)에 공급시킨다.
VL=VE-(VBD+dVH)
위 식에 있어서, dVH는, 온도가 비교적 높을 때의 초과 바이어스이다.
[0140]
한편, 스위칭 신호(SW)가 저레벨(즉, 온도가 고정값 이하)인 경우에, 컨트롤러(213)는, 다음 식에 의해 목표값 VH를 설정하고, 파워 IC(214)에 공급시킨다.
VH=VE-(VBD+dVL)
위 식에 있어서, dVL은, 온도가 비교적 낮을 때의 초과 바이어스이며, dVH보다도 낮은 값이 설정된다.
이와 같이, 본 기술의 제11 실시형태에서는, 제어 회로(210)가, 온도에 따라 애노드 전위(VSPAD)를 제어하므로, 온도 변화에 의해 포토다이오드(262)의 감도가 변동하더라도, 입사광의 검출 효율을 유지할 수 있다.
<12.이동체에의 응용예>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 자동차, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 자동이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어떠한 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 된다.
도 34는, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례인 차량제어 시스템의 개략적인 구성예를 나타내는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은, 통신 네트워크(12001)를 통해 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 34에 도시된 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은, 구동계 제어 유닛(12010), 보디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040), 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로 컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(912052), 및 차량용 네트워크 I/F(Interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은, 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련되는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연 기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구 및 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어장치로서 기능한다.
보디계 제어 유닛(12020)은, 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 보디계 제어 유닛(12020)은, 키리스 엔트리(keyless entry) 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는, 헤드램프, 백 램프, 브레이크 램프, 깜빡이 또는 안개등 등의 각종 램프 제어장치로서 기능한다. 이 경우, 보디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 보디계 제어 유닛(12020)은, 이들 전파 또는 신호의 입력을 접수하여, 차량의 도어록 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은, 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 촬상부(12031)에 차외의 화상을 촬상시킴과 함께, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 기초하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행하여도 된다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 따른 전기 신호를 출력하는 광 센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 측거 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은, 가시광이여도 되고, 적외선 등의 비가시광이여도 된다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은, 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들면 운전자를 촬상하는 카메라를 포함하고, 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 기초하여, 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 되고, 운전자가 졸고 있지 않은지를 판별해도 된다.
마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 기초하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표값을 연산하고, 구동계 제어 유닛(12010)에 대하여 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간 거리에 기초한 추종 주행, 차량 속도 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 차선 이탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 할 수 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량의 주위 정보에 기초하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함으로써, 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 할 수 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외의 정보에 기초하여, 보디계 제어 유닛(12020)에 대하여 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 검지한 선행 차 또는 반대편 차량의 위치에 따라 헤드램프를 제어하고, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 눈부심 방지를 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 할 수 있다.
음성 화상 출력부(912052)는, 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력 장치로 음성 및 화상 중 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 34의 예에서는, 출력 장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되어 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이의 적어도 하나를 포함하고 있어도 된다.
도 35는, 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 35에서는 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프론트 노즈, 사이드 미러, 리어 범퍼, 백 도어 및 차실 내의 프런트 글래스 상부 등의 위치에 설치된다. 프론트 노즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실 내의 프런트 글래스 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어 범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방 화상을 취득한다. 차실 내의 프런트 글래스 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 선행 차량 또는, 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 이용된다.
한편, 도 35에는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 일례가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는, 프론트 노즈에 설치된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드 미러에 설치된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어 범퍼 또는 백 도어에 설치된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)로 촬상된 화상 데이터가 중첩됨으로써, 차량(12100)을 상방으로부터 본 부감 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라여도 되고, 위상차 검출용의 화소를 갖는 촬상 소자여도 된다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어지는 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에 있어서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대 속도)를 구함으로써, 특히 차량(12100)의 진행로 상에 있는 가장 가까운 입체물로서, 차량(12100)과 대략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0km/h이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 선행 차와의 사이에서 미리 확보해야 할 차간 거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함) 등을 행할 수 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 이륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 그 밖의 입체물로 분류하여 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차량(12100)의 주변 장애물을, 차량(12100)의 운전자가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하여, 충돌 리스크가 설정값 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통해 운전자에 경보를 출력하거나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통해 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라여도 된다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지 아닌지를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들면 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에 있어서의 특징점을 추출하는 절차와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 해서 보행자인지 아닌지를 판별하는 절차에 의해 수행된다. 마이크로 컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하여, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(912052)는, 해당 인식된 보행자에 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(912052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 원하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 된다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 차량제어 시스템의 일례에 대해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 차외 정보 검출 유닛(12030)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 도 1의 측거 모듈(100)을, 차외 정보 검출 유닛(12030)에 적용할 수 있다. 차외 정보 검출 유닛(12030)에 본 개시에 관한 기술을 적용함으로써, 카운트오류율이 작고, 광자 검출 효율이 충분히 높게 되는 적절한 값으로 애노드 전위를 제어하고, 정확한 거리 정보를 취득할 수 있다.
한편, 상술한 실시형태는 본 기술을 구체화하기 위한 일례를 제시한 것이며, 실시형태에 있어서의 사항과, 특허청구 범위에 있어서의 발명 특정 사항은 각각 대응 관계를 갖는다. 마찬가지로, 특허청구 범위에 있어서의 발명 특정 사항과, 이와 동일 명칭을 붙인 본 기술의 실시형태에 있어서의 사항과는 각각 대응 관계를 갖는다. 단, 본 기술은 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 실시형태에 다양한 변형을 가함으로써 구체화할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서 설명한 처리 절차는, 이들 일련의 절차를 갖는 방법으로서 파악하여도 되고, 또한, 이들 일련의 절차를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램 또는 그 프로그램을 기억하는 기록 매체로서 파악하여도 된다. 그 기록 매체로서, 예를 들면, CD(Compact Disc), MD(MiniDisc), DVD(Digital Versatile Disc), 메모리 카드, 블루레이 디스크(Blu-ray (등록상표) Disc) 등을 이용할 수 있다.
한편, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이며, 한정되는 것이 아니고, 또한, 다른 효과가 있어도 된다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 입사광을 광전 변환하여 광전류를 출력하는 포토다이오드와,
상기 포토다이오드의 캐소드에 접속된 저항과,
상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드의 전위가 높을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 제어 회로를 구비하는 고체 촬상 소자.
(2) 상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드의 전위를 검출하여 상기 제어 회로에 공급하는 검출 회로를 더 구비하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(3) 상기 저항 및 상기 포토다이오드는, 복수의 화소 회로의 각각에 배치되고,
상기 복수의 화소 회로의 각각의 상기 캐소드는, 상기 검출 회로에 공통으로 접속되고,
상기 검출 회로는, 상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드의 각각의 전위 중 최소값을 검출하는 상기 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(4) 상기 캐소드에 접속된 가변콘덴서를 더 구비하는 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 고체 촬상 소자.
(5) 리프레쉬 펄스 신호에 따라 상기 저항의 양단을 단락하는 트랜지스터를 더 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 입사광의 입사 직전에 상기 리프레쉬 펄스 신호를 상기 트랜지스터에 더 공급하는 상기 (2) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(6) 상기 저항의 저항값은, 상기 캐소드 전위가 고정되는 값인 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(7) 상기 캐소드 전위와 미리 정해진 전위를 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교기를 더 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 캐소드 전위가 상기 미리 정해진 전위보다 높을 경우에 상기 캐소드 전위가 상기 미리 정해진 전위에 미치지 못하는 경우보다도 낮은 전위를 상기 애노드에 공급하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(8) 상기 제어 회로는, 미리 정해진 주기 내에서 상기 캐소드 전위가 미리 정해진 임계값보다 낮아진 횟수를 계수하여 상기 횟수가 미리 정해진 횟수에 미치지 못하는 경우에는 상기 횟수가 상기 미리 정해진 횟수보다 많을 경우보다도 낮은 전위를 상기 애노드에 공급하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(9) 상기 캐소드 전위 신호를 반전하여 펄스 신호로서 출력하는 인버터를 더 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 펄스 신호의 펄스 폭이 짧을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(10) 상기 저항의 일단은, 상기 캐소드에 접속되고, 타단은 미리 정해진 전위의 단자에 접속되고,
상기 제어 회로는, 상기 캐소드 전위와 상기 미리 정해진 전위와의 사이의 전압을 측정하고, 상기 전압이 높을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(11) 상기 저항 및 상기 포토다이오드는, 복수의 화소 회로의 각각에 배치되고, 상기 제어 회로는, 상기 복수의 화소 회로 중 어느 하나를 유효로 설정하고 해당 설정한 화소 회로의 상기 캐소드 전위와 상기 미리 정해진 전위와의 사이의 전압을 측정하는 상기 (10)에 기재된 고체 촬상 소자.
(12) 입사광을 광전 변환하여 광전류를 출력하는 포토다이오드와,
상기 포토다이오드의 캐소드에 접속된 저항과,
온도를 측정하여 상기 온도가 낮을수록, 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 제어 회로를 구비하는 고체 촬상 소자.
(13) 조사광을 공급하는 발광부와,
상기 조사광에 대한 반사광을 광전 변환하여 광전류를 출력하는 포토다이오드와,
상기 포토다이오드의 캐소드에 접속된 저항과,
상기 저항에 상기 광전류가 흘렀을 때의 상기 캐소드 전위가 높을수록 낮은 전위를 상기 포토다이오드의 애노드에 공급하는 제어 회로를 구비하는 전자장치.
100: 측거 모듈
110: 발광부
120: 동기 제어부
200: 고체 촬상 소자
210: 제어 회로
211, 266: 비교기
212: 보정 다이오드
213: 컨트롤러
214: 파워 IC
215: 비교부
216: 카운터
217: 펄스 폭 검출부
218: ADC
219: 리프레쉬 펄스 공급부
220: 온도 센서
221: 역방향 바이어스 설정값 보유부
230: 신호 처리부
231: TDC
232: 거리 데이터 생성부
240: 화소 어레이부
250: 차광 화소 회로
251, 261, 265, 281: 저항
252, 271: 다이오드
253: 콘덴서
260: 모니터 화소 회로
262, 282: 포토다이오드
263, 269, 283: 인버터
264, 267, 274, 284: 트랜지스터
268, 270: 스위치
272: 래치 회로
273: 가변콘덴서
280: 비모니터 화소 회로
12030: 차외 정보 검출 유닛

Claims (24)

  1. 제1 애벌런치 포토다이오드 및 제1 인버터를 포함하며, 제1 출력 신호를 출력하도록 구성된 제1 화소 회로와,
    제2 애벌런치 포토다이오드 및 제2 인버터를 포함하며, 제2 출력 신호를 출력하도록 구성된 제2 화소 회로와,
    상기 제2 출력 신호를 수신하도록 구성된 제어 회로를 구비하며,
    상기 제어 회로의 출력은 상기 제1 애벌런치 포토다이오드의 애노드 및 상기 제2 애벌런치 포토다이오드의 애노드에 접속되는, 광 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 비교부를 포함하며, 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 출력을 조정하도록 구성된, 광 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 애벌런치 포토다이오드는 복수의 제2 애벌런치 포토다이오드 중 하나이며,
    상기 제2 애벌런치 포토다이오드의 상기 애노드는, 각각이 상기 복수의 제2 애벌런치 포토다이오드 중 하나에 대응하는 복수의 애노드 중 하나이며,
    상기 제어 회로의 상기 출력은 상기 복수의 애노드에 접속되는, 광 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제2 애벌런치 포토다이오드는 행으로 배치되어 있는, 광 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화소 회로 및 상기 제2 화소 회로는 어레이로 배열되며, 상기 어레이의 제1 부분은 차광되는, 광 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 어레이의 제2 부분은 차광되지 않으며, 상기 제1 애벌런치 포토다이오드 및 상기 제2 애벌런치 포토다이오드는 상기 어레이의 상기 제2 부분에 위치하는, 광 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화소 회로는 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터의 소스 또는 드레인 중 하나가 제1 전위에 접속되는, 광 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 인버터 및 상기 트랜지스터의 상기 소스 또는 상기 드레인 중 다른 하나는 상기 제1 애벌런치 포토다이오드의 캐소드에 접속되는, 광 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화소 회로는 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터의 소스 또는 드레인 중 하나가 제1 전위에 접속되는, 광 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 인버터 및 상기 트랜지스터의 상기 소스 또는 상기 드레인 중 다른 하나는 상기 제2 애벌런치 포토다이오드의 캐소드에 접속되는, 광 검출 장치.
  11. 제1항에 있어서
    상기 제1 화소 회로는 제1 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터의 소스 또는 드레인은 제1 전위에 접속되고,
    상기 제2 화소 회로는 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 트랜지스터의 소스 또는 드레인은 상기 제1 전위에 접속되는, 광 검출 장치.
  12. 제1 애벌런치 포토다이오드 및 상기 제1 애벌런치 포토다이오드의 제1 단자에 접속된 제1 인버터를 포함하며, 제1 출력 신호를 출력하도록 구성된 제1 화소 회로와,
    제2 애벌런치 포토다이오드 및 상기 제2 애벌런치 포토다이오드의 제1 단자에 접속된 제2 인버터를 포함하며, 제2 출력 신호를 출력하도록 구성된 제2 화소 회로와,
    상기 제2 출력 신호를 수신하도록 구성된 제어 회로를 구비하며,
    상기 제어 회로의 출력은 상기 제1 애벌런치 포토다이오드의 제2 단자 및 상기 제2 애벌런치 포토다이오드의 제2 단자에 접속되는, 광 검출 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어 회로는 비교부를 포함하며, 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 출력을 조정하도록 구성된, 광 검출 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 애벌런치 포토다이오드는 복수의 제2 애벌런치 포토다이오드 중 하나이며,
    상기 제2 애벌런치 포토다이오드의 상기 제2 단자는, 각각이 상기 복수의 제2 애벌런치 포토다이오드 중 하나에 대응하는 복수의 제2 단자 중 하나이며,
    상기 제어 회로의 상기 출력은 상기 복수의 제2 단자에 접속되는, 광 검출 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 제2 애벌런치 포토다이오드는 행으로 배치되어 있는, 광 검출 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 화소 회로 및 상기 제2 화소 회로는 어레이로 배열되며, 상기 어레이의 제1 부분은 차광되는, 광 검출 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 어레이의 제2 부분은 차광되지 않으며, 상기 제1 애벌런치 포토다이오드 및 상기 제2 애벌런치 포토다이오드는 상기 어레이의 상기 제2 부분에 위치하는, 광 검출 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제1 화소 회로는 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터의 소스 또는 드레인 중 하나가 제1 전위에 접속되는, 광 검출 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 인버터 및 상기 트랜지스터의 상기 소스 또는 상기 드레인 중 다른 하나는 상기 제1 애벌런치 포토다이오드의 상기 제1 단자에 접속되는, 광 검출 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 제2 화소 회로는 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터의 소스 또는 드레인 중 하나가 제1 전위에 접속되는, 광 검출 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 인버터 및 상기 트랜지스터의 상기 소스 또는 상기 드레인 중 다른 하나는 상기 제2 애벌런치 포토다이오드의 상기 제1 단자에 접속되는, 광 검출 장치.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 제1 화소 회로는 제1 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터의 소스 또는 드레인은 제1 전위에 접속되고,
    상기 제2 화소 회로는 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 트랜지스터의 소스 또는 드레인은 상기 제1 전위에 접속되는, 광 검출 장치.
  23. 발광 장치와,
    제1항의 광 검출 장치를 구비하는 거리 측정 장치.
  24. 발광 장치와,
    제12항의 광 검출 장치를 구비하는 거리 측정 장치.
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